幾種網絡控制系統的比較及典型應用

1. 引言

　　網絡控制系統（NCSs）是近年來發展形成的自動控制領域的新技術，是計算機網絡、通信與自動控制技術結合的產物[1]。隨著自動控制、計算機、通信、網絡等技術的發展，企業的信息集成系統正在不斷壯大，而網絡化控制是復雜控制系統和遠程控制系統的客觀需求。[2]

　　在工業中已成功應用了幾十年的傳統控制系統，隨著物理設備和系統功能的擴充，在很多方面已經達到了它的應用極限，而具有通用總線結構的網絡系統，即網絡控制系統NCS，則以其完整的體系結構，分布式的操作運行模式，相對獨立又能很好互聯的通信方式，節省的布線和信號可靠性，顯示出種種優點。[3]

　　然而在目前的市場上存在著多種網絡控制系統并存的局面，國際標準化組織還難以將其統一。對于大多數企業來說，選擇不同的系統在人力、財力、物力上都要有相應不同程度的投入，因此決定何種系統更適合自己的生產控制狀況，對于提高企業生產力具有一定作用，本文初步總結了每種網絡控制系統的特點，以期給各企業改進生產提供一定的幫助。此外，列舉了目前比較典型的兩種網絡控制系統的應用，具體展現NCSs的實用性。

2. 幾種網絡控制系統的比較

　　目前NCS研究領域的兩大主流方向就是：①源于自動控制技術以滿足系統穩定及動態性能（quality of performance, QoP）為目標的分析手段;②源于計算機網絡技術以保證多媒體信息傳輸和遠程通信服務質量（quality of service, QoS）的分析手段[4][5]，本文主要從數據通信技術方面，也就是QoS角度來比較他們的不同。

　　下面主要比較幾種網絡控制系統CAN、FF、PROFIBUS和LonWorks的通信模型。工業現場有其具體特點，如果按照OSI7層模式的參考模型，由于層間操作與轉換的復雜性，網絡接口的造價與時間開銷顯得過高。為滿足實時性要求，也為了實現工業網絡的低成本，現 場總線采用的通信模型大都在OSI模型的基礎上進行了不同程度的簡化[3]。如下圖所示：

　　2.1 CAN的通信參考模型

　　CAN（controller area network）是控制器局域網的簡稱，是德國Bosch公司在1986年為解決現代汽車中眾多測量控制部件之間的數據交換問題而開發的一種串行數據通信總線。

　　參照ISO/OSI標準模型，CAN分為數據鏈路層（包括邏輯鏈路控制子層LLC和介質訪問控制子層MAC）和物理層。如圖1中CAN部分所示。

　　MAC子層主要規定傳輸規則，即控制幀結構、執行仲裁、錯誤檢測、出錯標定和故障界定。MAC子層要為開始一次新的發送確定總線是否開放或者是否馬上開始接收。位定時也是MAC子層的一部分。物理層規定了節點的全部電氣特性。

　　CAN的通信協議由CAN通信控制器完成。CAN通信控制器由實現CAN總線協議的部分和跟微控制器接口部分的電路組成。

　　2.2 FF的通信參考模型

　　FF數據通信與控制網絡技術是由現場總線基金會FF（fieldbus foundation）組織開發的，已被列入IEC61158標準。

　　FF的參考模型只具備ISO/OSI參考模型7層中的物理層、數據鏈路層和應用層，并把應用層劃分為總線訪問子層和總線報文規范子層，不過它又在原有ISO/OSI參考模型的第7層應用層之上增加了新的一層——用戶層。

　　其中，物理層規定了信號如何發送;數據鏈路層規定如何在設備間共享網絡和調度通信;應用層規定了在設備間交換數據、命令、事件信息以及請求應答中的信息格式;用戶層用于組成用戶所需要的應用程序，例如規定標準的功能塊、設備描述，實現網絡管理、系統管理等。模型如圖3中FF部分所示。